深基坑樁錨支護結構位移分析及數值模擬

張超翔， 張志強

(西南交通大學土木工程學院， 成都 610031)

城市建設中如雨后春筍般的高層建筑以及大型地下商場、地鐵車站等都廣泛采用了深基坑，基坑工程正向大面積、大深度方向發展[1]，深基坑工程穩定性的計算理論和施工技術問題成為土木工程學術界的重大研究課題。胡中雄[2]闡述了上海泰興路某住宅大樓樁基工程的監測和大型基坑施工經驗；曹庭校[3]以北京地鐵十號線某深基坑為例，總結了復合土釘支護的研究成果，采用了有限元和數值模擬與實測結構相結合的方法，探討了深基坑復合土釘支護的應用。羊逸君[4]依托北京地鐵15號線3標段隧道深基坑工程，通過監測數據和MIDAS/GTS軟件監理三維數值模型，優化了設計圖紙和降低了圍護樁的配筋；錢七虎[5]認為中國城市地下空間開發迎來了高潮，基坑工程與監測是施工的難點和重點。由于巖土工程地質條件的多樣性和復雜性，以及深基坑工程一般施工工期長、開挖難度及對周圍環境影響較大[6]。徐至鈞[7]總結了深基礎與支護工程設計的施工經驗，為大型深基礎支護位移的控制提供了理論與實踐參考；沈國政等[8]采用Mindlin和Pasternak進行建模，對深基坑開挖引起隧道位移進行研究。奚家米等[9]運用FLAC3D數值模擬軟件對上海虹橋SOHO深基坑開挖進行研究，有效降低了周邊建筑的影響；厲立兵等[10]提出了一種基坑降水的有限元計算方法，提高了基坑降水總涌水量計算的準確性；葉帥華等[11]以蘭州市某復雜環境下深大基坑為例，結合Plaxis3D有限元軟件對基坑開挖進行數值模擬。張兵兵等[12]依托濟南歷下醫養結合中心項目，采用FLAC3D進行數值模擬，研究結果為基坑開挖對鄰近地鐵的影響提供了理論參考；徐宏增等[13]以杭州管廊基坑工程為研究背景，并運用三維數值模擬，研究了不同圍護結構下的基坑開挖對鄰近大直徑管線的影響，為類似施工提供了理論依據。

目前，基坑開挖對基坑土體、支護結構和周圍建筑物的受力、變形和穩定性的影響及演變規律方面還沒有公認準確的本構模型，也沒有精確的定量解析計算方法。在工程實踐中一般采取信息化施工，動態跟蹤基坑的開挖以及支護全過程，通常采用實時監測與數值模擬相結合的方法來綜合評價基坑支護穩定性，是一種半理論、半經驗相結合的方法分析，尤其對在數值計算和開挖監測數值方面普遍存在的偏差及造成原因方面缺乏深入分析研究。

因此，現依托安徽璀璨明珠商場深基坑工程，采用FLAC3D軟件對基坑支護結構進行數值模擬，通過理論分析、現場實測和FLAC3D數值模擬對支護結構進行綜合分析，對比基坑開挖過程中支護結構及周邊環境的位移實測數據和數值模擬結果的偏差，重點分析造成數值計算與現場監測數據方面存在偏差的主要原因，從而為提示基坑在開挖過程中的土體壓力和變形演變規律及數值模擬存在偏差的原因進行深入分析，為類似地層深基坑開挖及施工方案優化提供理論分析借鑒和實踐參考。

1 基坑支護方案

安徽璀璨明珠商場及辦公用房工程項目，基坑四周緊鄰勝利路、延安路、體育路等繁華地段，有市教育局、蚌埠市第六中學等重要單位，這些單位建筑距坑側最近的只有5.4 m，基坑周邊環境復雜，對基坑變形的要求較高。基坑長132 m、寬39 m，平面基本呈矩形。基坑支護有效深度為4.0～8.35 m，基坑北段和南段側壁安全等級為二級，其余部位基坑側壁安全等級為一級。

根據鉆探結果，擬建場地地面下47.00 m深度范圍內，可分為9個工程地質層，主要土(巖)性為黏性土、粉土及花崗混合巖。各主要結構巖層土力學指標如表1所示，根據室內試驗并結合土的經驗數據，得到基坑設計土力學參數如表2所示。

基坑支護結構的設計應按照在滿足安全的前提下經過多方案技術、經濟條件比較，本項目支護結構選取了鉆孔灌注樁結合預應力錨索的樁錨支護體系。樁間土掛網噴80 mm厚C20細石混凝土保護，基坑分區域分別采用直徑φ1 000 mm和直徑φ900 mm的鉆孔灌注樁，樁間距分別為2 000 mm和1 800 mm，樁長從9～17.5 m根據場地條件不等。基坑北側采用支護樁加放坡并土釘，東北角采用放坡加支護樁并兩道預應力錨索，東側其余部分采用支護樁加兩道預應力錨索，南側采用放坡并土釘加支護樁并一道預應力錨索，西側采用支護樁加兩道預應力錨索。預應力錨索采用2束直徑φ15.2 mm的鋼絞線，錨索與水平方向的夾角為15°，錨索成孔直徑為150 mm。

在基坑體整體穩定性計算采用瑞典條分法，條分法中的土條寬度取1.00 m，經計算采用樁錨支護結構后基坑穩定安全系數KS=1.323 > 1.30，滿足規范要求。

表1 各巖土層土力學指標表Table 1 Table of mechanical indexes of each geotechnical layer

表2 基坑設計土力學參數表Table 2 Design soil mechanical parameters of foundation pit

2 現場監測數據分析

2.1 監測點布置

對基坑支護結構樁頂冠梁的水平、豎直位移及周邊建筑、道路、圍墻沉降進行實測，冠梁的水平、豎直位移監測點從基坑西北角起順時針沿冠梁布置，編號為G01～G22，周邊建筑物監測點編號從F01～F16，周邊道路監測點從基坑西北角外側開始沿基坑周邊順時針布置，編號從D01～D08，西側圍墻監測點從基坑西南向西北方向布置，編號為W1～W11，如圖1所示。

觀察各個布點的水平位移和豎向位移。基坑土體開挖初期每2天觀測1次，監測值接近警戒值時改為每天1次；當監測值超過警戒值時，在及時報警的基礎上監測次數增加至每天2次。

2.2 監測數據分析

2.2.1 道路沉降

道路沉降觀測點從基坑西北角起沿順時針布置，北側和東側距離城市主干道最近，因此，作為沉降觀察的重點，對這兩條道路監測從2015年5月至2016年3月共歷時10個月，共監測44次。監測數據擬合為如圖1所示曲線所示。由圖1可以看出，監測點D01、D02、D03受到開挖的影響小，沉降量也較小，這三個監測點沉降位移曲線隨時間變化的規律相似，都呈現出先沉降后隆起再沉降的過程。

在基坑最初開挖階段，圍護結構內外土壓力差不斷增大使觀測點沉降也相應增大，隨著基坑的繼續開挖，基坑底部土應力不斷釋放，基坑向上隆起帶動基坑周圍土體隆起，在基坑開挖第106天周邊道路隆起達到最大值。隨著開挖深度的繼續加大，基坑底部隆起部分出現塑性變形區域，這些基坑底部由于塑性變形引起基坑周邊道路重新出現沉降，且離基坑中部距離越近的點沉降位移越大，靠近坑角點位移較小，這符合基坑空間效應理論。

2.2.2 支護結構頂部水平位移

支護結構過大的水平位移會直接引發圍護結構失穩、基坑坍塌，造成周邊道路產生過大沉降，破壞地下管線等其他設施，因此，基坑側壁水平位移監測是重點。支護結構頂部水平位移監測從2015年1月開始共歷時7個多月，監測41次。監測數據擬合為如圖2所示。

由圖2可以看出，西側基坑附近有建筑物，建筑荷載對基坑地面產生附加主動土壓力，其結構頂部水平位移明顯大于其他區段。基坑22個水平位移監測點最大位移為25.96 mm，小于監測報警值30 mm。

圖1 基坑道路沉降曲線圖 Fig.1 Road settlement curve of foundation pit

圖2 基坑支護結構頂部水平位移曲線圖Fig.2 Horizontal displacement curve at the top of foundation pit supporting structure

3 基坑支護結構的數值模擬

3.1 數值計算模型建立

采用FLAC3D軟件對基坑支護結構進行數值模擬，所用到的結構單元包括樁單元、錨索單元以及梁單元，錨索采用FLAC3D中的錨索單元，梁采用梁單元，樁采用樁單元。

基坑開挖面積約為123 m×41 m，開挖深度8 m。計算模型取自基坑邊緣向外3倍基坑開挖深度，模型范圍為171 m×89 m×24 m，單元324 646個，節點344 504個，模型邊界條件為底部法向約束，四周法向約束，頂端自由。

數值模擬根據開挖方案，分5步進行模擬。

第一步：基坑1區和2區垂直開挖至標高-2 m用梁單元模擬冠梁，在標高-1.5 m位置用錨單元模擬預應力錨索打入并張拉、封錨，長度18 m，自由段6 m，預應力80 kN。

第二步：基坑1區開挖土體至標高-4 m，基坑2區垂直開挖土體至標高-3.5 m，基坑3區開挖土體至標高-2.5 m，在標高-2 m位置用錨單元模擬預應力錨索打入并張拉、封錨。

第三步：基坑1區放坡開挖至標高-5.5 m，在標高-5 m位置用錨單元模擬土釘，基坑2區開挖至標高-5 m，在標高-4.5 m處用錨單元模擬預應力錨索打入并張拉、封錨。

第四步：基坑1區開挖至標高-7 m，在標高-6.5 m處用錨單元模擬土釘，2區開挖至標高-6.5 m，3區開挖至標高-5.5 m，在標高-5 m處用錨單元模擬預應力錨索并張拉、封錨。

第五步：基坑4個區域垂直開挖至標高-8 m。

土體采用摩爾庫倫模型，主要力學參數依據室內試驗并結合土層的原位測試成果及經驗確定。模擬過程中，各土層彈性模量依據地質勘查報告選取并根據經驗將各土層彈性模量提高3倍的結果作為各土層的回彈模量值。各土層的彈性模量和泊松比通過下面公式轉換，求得FLAC3D模型所需要的體積模量和剪切模量。

(1)

(2)

式中：K為體積模量；E為彈性模量；ν為泊松比；G為剪切模量。基坑標高-8～0 m范圍內水平方向每1 m一個單元，豎直方向每0.5 m一個單元，其他區域按照取1.1的比率向四周擴散。基坑標高至-8 m范圍內水平方向每1 m一個單元，豎直方向每0.5 m一個單元，其他區域按照ratio取1.1的比率向四周擴散。

3.2 基坑水平位移分析

基坑的水平位移直接影響坑后地表沉降，對周圍道路、建筑物的安全影響較大，因此基坑水平位移是模擬的重點。基坑的開挖過程中在放坡開挖面與樁錨支護開挖面分別選取典型切面進行分析，并將兩種開挖支護方式下的水平位移結果進行對比。

3.2.1 放坡開挖切面水平位移

放坡開挖切面取過點(0，20，0)，法線方向(0，1，0)，X取值范圍為(-15，15)的平面進行研究，此切面通過冠梁水平位移監測點G02，其向水平位移如圖3所示。文章限于篇幅，圖3只選取第一步開挖、第三步開挖后的x方向位移云圖以及第五步開挖后放大云圖進行展示。

通過Origin軟件繪出的位于基坑的頂部和底部兩個點位的水平位移曲線圖，如圖4所示。從圖4中可以看到放坡底部的水平位移要明顯大于放坡頂部。

基坑垂直開挖部分頂部的水平位移如圖5所示。從圖5中可以看出垂直開挖部分頂部的水平位移隨開挖步驟基本呈線性變化。

3.2.2 樁錨支護側壁面水平位移

隨著向下開挖，基坑側壁各點水平位移都向基坑內部移動并不斷增大，且同一工況下各點位的水平位移差不超過20 mm。基坑側壁水平位移最大值位于基坑坡腳和坡頂處，支護樁底部的水平位移最大，在支護樁深度范圍內的土體水平位移相對較小，在同一工況下各點水平位移自上而下先減小后增大，這是因為坑壁中部兩道錨索預應力施加改變了土壓力狀態，減小了基坑的側向位移，增強了基坑的穩定性。基坑開挖后的側壁水平位移云圖如圖6所示，水平位移擬合曲線如圖7所示。

4 數值模擬與監測數據的差異分析

將基坑開挖過程中監測得到的樁頂水平位移、土體沉降等數據與數值模擬結果進行對比，兩者總體上呈現較高的相似性，但也有局部數據存在差異。

4.1 樁頂水平位移對比

表3詳細列出了從監測點G11～G21模擬結果與現場實測值的對比。可以看出，數值模擬結果與現場實測結果基本相近。但G11、G20、G21、G22等點還是存在著較大差距，并且除G11點以外普遍存在模擬值大于實測值的情況，造成原因是基坑采用了盆式開挖，在支護樁周邊留有一定量的土體，樁后土體對支護樁的主動土壓力減小，使得實測值相對模擬值要小。

圖3 基坑放坡開挖水平方向位移云圖Fig.3 cloud chart of horizontal displacement of foundation pit sloping excavation

圖4 水平位移模擬曲線 Fig.4 Simulation curve of horizontal displacement

圖5 頂部水平位移曲線Fig.5 Top horizontal displacement curve

圖6 基坑樁錨支護水平位移云圖Fig.6 Cloud diagram of horizontal displacement of pile-anchor support in foundation pit

4.2 土體沉降對比

坑后地表土體沉降的實測曲線與數值計算曲線進行了比較，如圖8所示。從圖8中可以看出，模擬結果與實測結果曲線在形態上都呈現“勺”分布，總體規律基本近似。

4.3 數值模擬與實測數據差異分析

運用FLAC3D軟件進行數值模擬，模型結果總體上與現場實測數據具有良好的相似性，能夠比較準確地反應基坑開挖土體壓力、變形的演變規律。但是在計算過程中也反應同數值模擬結果與實測數據難免出現偏差，造成偏差的主要原因有如下幾個方面。

圖7 基坑樁錨支護水平位移曲線圖Fig.7 Horizontal displacement curve of pile-anchor support in foundation pit

表3 樁頂水平位移實測值與數值模擬結果對比表Table 3 comparison between measured and simulated results of horizontal displacement on pile top

(1)數值計算模型。運用FLAC3D對基坑及支護結構計算時，建立科學的計算模型是關鍵，影響模型準確性的關鍵又是工程現場土力學參數的選取，參數的取值對計算的結果影響最大。土力學參數選取不但要詳細對照基勘測報告，還要參考大量文獻資料和同地區類似工程實際的經驗。根據經驗回彈模量取值為壓縮模量的3～5倍，對于具體實際工程，由于巖土體土質條件的多樣性和復雜性，往往難以從別的工程實際中獲得準確的取值參考，幾乎所有的數值計算都不可避免地要進行多次參數調整，才能最終得到了比較滿意的結果。

(2)模擬工況與實際工況存在差距。雖然本文在使用FLAC3D軟件模擬基坑開挖支護的全過程時，遵循土方開挖的施工組織設計，并按5步和4個區域比較真實地反映了現場施工步驟和工藝實際，但是這樣的分區域分步驟安排依然仍然難以做到與施工現場完全一致，特別是工程實際施工中采取了邊開挖邊支護方法，支護樁強度形成過程中對土體變形會造成影響，并且是一個連續、漸變過程，其演變過程往往十分復雜，數值模擬難以體現這種過程，會造成數值計算結果與實測數據存在一定偏差。

圖8 土體沉降曲線對比圖Fig.8 Contrast map of soil settlement curve

(3)土體變形的時間效應。數值模擬考慮的是土體瞬間卸荷的響應，認為土體的變形能夠瞬間完成，沒有考慮土體的蠕變特征。在實際工程中，基坑開挖后，基坑邊坡土體往往可以維持相對穩定一段時間，因而變形不會立刻發生。也就是說，采用FLAC3D程序進行的數值模擬，沒有考慮土體變形的時間效應，這導致了計算結果比實測結果偏大。

(4)模型單元不滿足變形的協調和連續性。在解決土體這類連續介質的相關問題時，由于FLAC3D程序對分析對象的單元劃分相對較大，每個單元產生運動的不平衡力被集中簡化在網點處，而且不滿足變形的協調和連續性，這樣從某種意義上忽略了土體顆粒之間的剪切力和相互的變形約束作用，因此由FLAC3D程序分析得到的基坑變形就相應較實測值更大。

運用FLAC3D對基坑進行數值計算，已經成為基坑設計的一個重要參考手段，能夠較為準確地提示施工工序、工藝對基坑壓力和變形的演變規律，在工程實際中證明了其科學性和適用性，但是，由于巖土體的復雜性、多樣性、易變性，造成數值模型結果與實測數據間存在一定的偏差。一般情況下，數值模擬得到的數據比實測值偏大，偏于安全。

5 結論

以安徽蚌埠市璀璨明珠商場深基坑工程為背景，通過對基坑監測數據分析和運用FLAC3D對基坑進行數值計算，可得如下結論。

(1)基坑數值模擬結果與現場實測結果基本相近。運用FLAC3D軟件進行數值模擬，模型結果總體上與現場實測數據具有良好的相似性，能夠比較準確地反應基坑開挖土體壓力、變形的演變規律。

(2)本工程基坑水平位移監測點最大位移為25.96 mm，小于監測報警值30 mm。

(3)基坑開挖對既有建筑、道路沉降及坡頂水平位移造成影響，其中基坑側壁水平位移監測是重點。有必要采取適當措施對坡頂進行加固。